带上位机软件曲线图分析的微型数显推拉力计

带上位机软件曲线图分析的微型数显推拉力计设计方案

一、产品概述

成都精炬达电子科技有限公司生产的这款带微型数显推拉力计是一款集成了高精度传感检测、数字显示、数据存储与上位机分析功能的便携式力学检测设备，主要面向小量程推力、拉力测试场景，能够完成实时力值显示、数据采集存储，同时通过配套上位机软件生成力值变化曲线图，支持力值变化趋势分析、峰值数据统计、测试报告导出等功能，满足工业生产检测、科研院校实验、精密零部件性能测试等多个领域的使用需求。

相较于传统指针式推拉力计与普通数显推拉力计，本产品在保持微型化便携优势的基础上，新增了上位机数据可视化分析能力，解决了传统设备无法记录力值变化过程、无法开展后续趋势分析的痛点，同时通过更小的体积设计，适配狭窄空间内的力学测试场景，填补微型推拉力计领域数据分析功能的市场空白。

二、整体结构设计

2.1 硬件整体架构

本产品硬件系统分为五个核心模块，分别是力学传感模块、信号调理与AD采集模块、主控处理模块、显示交互模块、通讯传输模块，各模块功能衔接如下：力学传感模块将受到的推力或拉力转换为模拟电压信号，信号调理模块对弱电压信号进行放大与滤波处理，AD转换模块将模拟信号转换为数字信号传输给主控单元，主控单元完成数字信号校准、力值计算后，将实时力值输出到数显屏幕，同时存储测试数据，通过通讯模块将数据传输给上位机软件，完成后续的曲线图分析。

2.2 外观与结构设计

作为微型推拉力计，本产品整体外形设计为圆柱形手持式结构，主机直径设计为35mm，总长度120mm，重量控制在150g以内，适配单手操作与狭窄空间测试需求，测试端头采用可更换设计，支持拉伸钩、压缩压头、夹具等多种端头配件更换，适配不同测试场景的需求。机身采用高强度ABS工程塑料外壳，表面做防滑纹理处理，底部设计Type-C充电与数据传输接口，侧面设置三个实体按键，分别为开机清零键、峰值保持键、数据存储键，操作逻辑简单便捷。

三、核心硬件选型与设计

3.1 力学传感模块

本产品针对微型化设计需求，选用微型轮辐式应变式压力传感器，传感器量程覆盖0~50N、0~100N、0~500N三个常用规格，精度等级达到0.5级，非线性误差小于±0.3%FS，灵敏度为1.0±0.1mV/V，传感器整体尺寸设计为直径20mm、厚度8mm，能够嵌入主机机身，不会增加产品整体体积，应变片采用高精度金属箔式应变片，温度漂移小于0.02%FS/℃，长期稳定性优于0.03%FS/年，能够保证长期测试的精度稳定性。

3.2 信号调理与AD采集模块

由于应变式传感器输出的信号为毫伏级弱信号，因此需要进行信号放大处理，本设计选用低噪声仪表放大器AD8221，该放大器增益可调范围为1~1000，共模抑制比高达120dB，能够有效抑制环境共模干扰，将传感器输出的mV级信号放大到0~3.3V范围内，适配AD采集的输入范围。AD转换模块选用16位高精度SAR型ADC芯片ADS1115，转换分辨率达到16位，支持连续采样，采样速率最高可达860SPS，满足推拉力测试过程中力值变化的动态采集需求，该芯片内置可编程增益放大器与电压参考源，不需要额外设计外围参考电路，进一步缩小了硬件电路板的尺寸。

3.3 主控与存储模块

主控单元选用低功耗32位单片机STM32G030，该芯片采用Cortex-M0+内核，最高工作频率64MHz，内置16KB RAM与64KB Flash，满足本产品的运算与存储需求，芯片支持多种低功耗模式，待机电流低于1μA，能够有效延长设备的续航时间。数据存储方面，单片机内置Flash可存储1000组测试数据，同时支持外接SPI Flash存储芯片，可扩展存储容量到10000组以上，满足大量连续测试的数据存储需求。

3.4 显示与交互模块

显示模块选用1.3寸OLED液晶显示屏，分辨率为128×64，对比度高，在强光环境下依然能够清晰读数，屏幕显示区域占据机身正面大部分区域，实时显示当前力值、峰值、单位、电池电量四个核心信息，清晰直观。交互模块采用三个实体轻触按键，分别实现开机/关机、力值清零、峰值保持/取消、数据存储四种功能，操作逻辑简洁，不需要复杂学习即可上手使用。

3.5 电源与通讯模块

电源模块选用3.7V可充电锂电池，容量为300mAh，充满电后可支持连续工作12小时以上，满足日常外出测试需求，内置TP4056充电管理芯片，支持Type-C接口充电，充满电自动停止充电，具备过充过放保护功能。通讯模块选用Type-C转USB虚拟串口方案，通过单片机内置USB功能实现与上位机的有线通讯，通讯速率最高可达115200bps，能够实时将采集到的力值数据传输给上位机，同时支持上位机向下位机发送校准指令、参数设置指令，实现设备参数的远程配置。

四、下位机软件设计

4.1 主程序流程

下位机软件主程序流程分为初始化、按键扫描、数据采集、力值计算、显示更新、数据存储与传输六个环节：设备开机后首先完成系统时钟、ADC、IO口、显示、通讯模块的初始化，随后进行传感器零点校准，将当前空载状态的力值作为零点存储，之后进入主循环，依次扫描按键状态，根据按键操作执行对应功能，完成一次数据采集与滤波处理，计算得到当前力值，更新显示屏上的力值与状态信息，如果触发数据存储或者上位机实时传输指令，则将数据存储到本地Flash或者通过USB串口发送给上位机，完成一轮循环后进入下一次采集。

4.2 数据处理算法

为了提高力值测试的稳定性，下位机软件加入了多级滤波处理：首先对ADC采集的原始数据进行滑动平均滤波，取连续10次采集数据的平均值作为原始滤波结果，然后剔除滤波结果中的最大与最小值，再次取平均值，有效抑制脉冲干扰与工频干扰，最后通过线性校准算法对力值进行温度补偿与非线性校准，将校准参数存储在单片机Flash中，根据不同传感器的标定参数计算得到最终的精确力值，保证测试精度。

4.3 核心功能实现

· 实时力值显示：默认模式下实时更新当前测试力值，刷新频率为10Hz，保证力值变化显示流畅；

· 峰值保持功能：按下峰值保持键后，自动锁定测试过程中的最大力值，屏幕显示峰值数据，再次按下取消峰值保持，返回实时显示；

· 本地数据存储：按下存储键后，将当前峰值或者实时力值存储到本地Flash，最多可存储1000组数据，存储完成后屏幕提示存储成功；

· 实时数据上传：连接上位机后，可开启实时上传模式，将采集到的力值数据实时发送给上位机，数据上传频率可通过上位机设置，最高支持10Hz上传；

· 离线数据导出：本地存储的测试数据可随时通过上位机导出，导出完成后可清空本地存储，准备下一批次测试。

五、上位机软件设计

5.1 整体功能架构

上位机软件基于Windows平台开发，采用C#语言编写，整体分为四个功能模块：串口通讯模块、数据管理模块、曲线图分析模块、报告导出模块，软件支持Windows 7/8/10/11全版本系统，安装包体积小于10MB，安装过程简单，不需要配置额外环境。

5.2 核心功能实现

（1）串口通讯功能

软件启动后自动扫描电脑端可用串口，用户选择对应串口后，设置通讯波特率等参数，即可完成与推拉力计的连接，连接成功后可实时接收推拉力计发送的力值数据，也可以向下位机发送校准命令、参数设置命令、数据导出命令，实现对下位机的远程控制。

（2）数据管理功能

上位机软件支持两种数据获取方式，一种是实时采集模式，即连接下位机后实时采集力值数据，另一种是离线导出模式，即将下位机本地存储的测试数据批量导出到上位机，所有采集到的数据都会存储在上位机本地数据库中，用户可以创建不同的测试项目，对不同批次的测试数据进行分类管理，支持按测试时间、测试项目名称搜索查询历史数据。

（3）曲线图分析功能

曲线图分析是本产品的核心功能，软件接收到实时力值数据后，会自动生成动态更新的力值-时间曲线图，X轴为测试时间，Y轴为当前力值，曲线图支持手动缩放、拖拽查看，能够清晰展示测试过程中力值的变化趋势，软件自动识别测试过程中的峰值、谷值，在曲线图上自动标记出关键点的坐标与数值，用户也可以手动添加标注，记录测试过程中的关键节点信息。

针对批量测试场景，软件支持多组测试数据的曲线图叠加显示，将同一批次多个样品的测试曲线放在同一个坐标系中，方便用户对比不同样品的力值变化差异，分析产品性能的一致性，同时支持计算曲线的面积、平均力值、最大力值、最小力值等统计参数，自动生成统计表格。

（4）数据导出与报告生成功能

测试完成后，用户可以将曲线图导出为PNG、JPG等图片格式，也可以将所有测试数据导出为Excel格式的表格，方便用户后续进行二次分析，软件支持生成标准化的测试报告，报告包含测试项目信息、测试时间、测试参数、曲线图、统计数据等内容，用户可以自定义报告抬头与logo，适配不同企业的文档规范，报告可导出为PDF格式直接打印。

六、产品性能参数

七、适用场景

本产品主要适用场景包括：小型电子零部件插拔力测试、精密弹簧拉压性能测试、小型五金件铆接拉力测试、科研实验中小力值力学性能测试、医疗器械组件力值检测、电子产品按键按压力测试等多个领域，微型化的体积设计适配产线在线检测、实验室小空间测试等场景，上位机曲线图分析功能满足研发过程中对力值变化过程的分析需求，帮助研发人员直观掌握产品力学性能的变化规律。

带上位机软件曲线图分析的微型数显推拉力计